Imagen: Cuanto más recto es el eje de la estructura molecular del
polímero, mayor su capacidad de absorber la luz. Esta propiedad es lo
que se conoce como la longitud de persistencia (persistence length, en
inglés), una propiedad mecánica que determina la rigidez del polímero.
Cuanto mayor curvatura tiene el eje de la estructura molecular, menor
capacidad para absorber luz solar |
Liderado por el CSIC y el Imperial College London, el trabajo revela que
los polímeros con estructura molecular sin curvatura son mejores.
Publicado en Nature Materials, es un hallazgo importante para la
obtención de paneles solares más efectivos. Los materiales resultantes
consiguen pasar del 4% o el 5% de eficiencia al 8,5%.
El gran reto de la energía solar es cómo conseguir materiales capaces de
absorber mayor cantidad de luz y, con ello, capaces de obtener más
energía. Hasta la fecha, gran parte del trabajo de mejora de las células
solares orgánicas se centra en el color de los materiales: extender su
absorción hacia el rojo o incluso el infrarrojo -actualmente, los
materiales de los paneles únicamente captan la parte del espectro
correspondiente al azul y el verde- de forma que aprovechen la mayor
fracción del espectro solar posible.
Ahora, una investigación coliderada por Mariano Campoy, del Instituto de
Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, y Jenny Nelson, del
Imperial College de Londres, ha abordado el tema desde una perspectiva
diferente. “Hemos intentado entender qué es lo que hace que un material
de un color dado, absorba más o menos luz más allá de variar el grosor
de la capa, o en otras palabras, qué es lo que controla la magnitud del
coeficiente de absorción”, explica Mariano Campoy. Los resultados,
publicados en Nature Materials, son un paso importante hacia la
obtención de paneles solares que permitan un mayor rendimiento
energético.
En el estudio también han participado científicos de la Universidad de
Chipre, del University College London, y de la Universidad King Abdullah
de Ciencia y Tecnología (Arabia Saudí).
Estructura plana
Tras analizar numerosos polímeros semiconductores, los científicos han
descubierto que hay polímeros que absorben hasta un 40 o un 50% más que
los materiales convencionales. El análisis de la estructura revela que
el mecanismo que controla el color y la magnitud de la absorción es la
conformación de la cadena polimérica: cómo sea de plana esta cadena del
polímero es lo que determina su color. Dentro de ese plano que contiene
la cadena polimérica, la curvatura del polímero determina la magnitud de
la absorción: cuanto más recto es el eje de la estructura molecular del
polímero, mayor su capacidad de absorber la luz. Esta propiedad es lo
que se conoce como la longitud de persistencia (persistence length, en
inglés), una propiedad mecánica que determina la rigidez del polímero.
Por el contrario, cuanto mayor curvatura tiene el eje de la estructura
molecular, menor es la capacidad de absorber luz.
Un polímero es un material formado por una unidad (monómero) que se
repite formando cadenas. Un ejemplo gráfico es imaginar cada monómero
como un folio: una cadena de folios totalmente recta, tendría una
estructura plana y una alta longitud de persistencia. Si cada folio se
tuerce ligeramente, dentro de ese plano la fila de folios tendría una
curvatura mayor, una menor longitud de persistencia y menor capacidad
para absorber luz solar.
Para verificar el hallazgo, los científicos han sintetizado nuevos
polímeros que cumplieran esa propiedad y han demostrado que,
efectivamente, lo que define la absorción de luz es la longitud de
persistencia. Cuanto más recta es la estructura (y mayor la longitud de
persistencia), mayor la capacidad de absorber luz. Los materiales
resultantes también tienen mejores propiedades electrónicas y mejoran el
transporte de carga. Juntando ambas mejoras, consiguen pasar del 4-5% de
eficiencia al 8,5%.
El hallazgo permitiría fabricar polímeros que puedan absorber más luz
solar en menor espacio y mayor libertad al diseñar las formas de los
paneles solares. Y es que una de las soluciones actuales para absorber
más energía, apunta Mariano Campoy, pasa por hacer placas solares más
gruesas o más grandes, a fin de tener más material ‘captador’. Pero esa
solución tiene sus limitaciones, ya que la conductividad de los
polímeros es limitada (y cuanto más gruesa es la placa, mayor recorrido
deben realizar los electrones dando lugar a pérdidas de corriente).
Mariano Campoy Quiles (Santiago de Compostela), es investigador del
Grupo de materiales nanoestructurados del Instituto de Ciencias de
Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC. Trabaja en la identificación
ultrarrápida de materiales orgánicos prometedores para el sector
energético (paneles solares y dispositivos termoeléctricos).
Actualmente, la puesta a punto de estos materiales es muy costosa, y se
ha convertido en el cuello de botella que está limitando el desarrollo
de estas tecnologías.
Artículo de referencia:
Exploring the origin of high optical absorption in conjugated polymers.
Michelle S. Vezie, Sheridan Few, Iain Meager, Galatia Pieridou, Bernhard
Dörling, R. Shahid Ashraf, Alejandro R. Goñi, Hugo Bronstein, Iain
McCulloch, Sophia C. Hayes, Mariano Campoy-Quiles and Jenny Nelson.
Nature Materials doi:10.1038/nmat4645
Fuente: DICAT (CSIC)
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